使用光源和單光子探測器的隨機(jī)數(shù)生成方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開在一個或更多個實(shí)施方式中涉及使用光源和單光子探測器的隨機(jī)數(shù)生成 方法和隨機(jī)數(shù)生成裝置。更具體地，本公開涉及通過利用光源的統(tǒng)計特性和單光子探測器 的探測效率的優(yōu)勢來生成真隨機(jī)數(shù)的、使用光源和單光子探測器的隨機(jī)數(shù)生成方法和隨機(jī) 數(shù)生成裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 這部分的陳述僅僅提供與本公開相關(guān)的背景信息并且不一定構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
[0003] 在從數(shù)值模擬到統(tǒng)計分析到密碼技術(shù)的種種應(yīng)用中都需要隨機(jī)性。獲得隨機(jī)性的 方法已經(jīng)從生成偽隨機(jī)數(shù)的簡單數(shù)學(xué)方法演進(jìn)到通過利用物理現(xiàn)象生成真隨機(jī)數(shù)的方法。
[0004] 與偽隨機(jī)數(shù)生成器（PRNG)相反，真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG)是根據(jù)來自包括電阻器、 半導(dǎo)體二極管以及放射性材料在內(nèi)的來源的電氣噪聲來生成真隨機(jī)數(shù)的概念。
[0005] 來自TRNG的同類，量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG)通過利用量子力學(xué)的原理生成真隨 機(jī)數(shù)來實(shí)現(xiàn)TRNG。根據(jù)光的量子特性已經(jīng)提出了各種各樣的QRNG來生成數(shù)據(jù)，并且它們中 的很多依賴于入射在分束器上的光子的表現(xiàn)。
[0006] 圖1是根據(jù)入射在分束器上的光子的表現(xiàn)的傳統(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG)的 示例圖。
[0007] 如圖1中所示，從光源110發(fā)出的光子120沿著兩條路徑中的其中一條路徑由分 束器130發(fā)射并且通過單光子探測器（Sro) 140和141中的相應(yīng)的一個單光子探測器探測。 根據(jù)SPD140和141中的哪一個探測到入射的光子120,生成0或1。這種方法的缺點(diǎn)在于， 針對每個光子120只能生成一個比特并且實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式生成的比特少的多。由于探測事件 有助于比特的生成，比特生成率受到探測速度和探測效率的限制，并且因此，用于生成隨機(jī) 比特的速度不可避免地比SPD140和141的最高探測速度低。作為對低速度的補(bǔ)充，提出 了一種具有多個單光子探測器來構(gòu)造QRNG的方法，但是承受由于各單光子探測器的不同 探測效率導(dǎo)致的偏移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 技術(shù)問題
[0009] 因此，已經(jīng)努力做出本公開來提供一種用于通過利用光的統(tǒng)計特性和單光子探測 器的探測效率的優(yōu)勢，通過多個單光子探測器來提高隨機(jī)數(shù)生成速度的隨機(jī)數(shù)生成裝置和 方法。
[0010] 解決方案
[0011] 根據(jù)本公開的至少一個實(shí)施方式，隨機(jī)數(shù)成成裝置包括光源和多個單光子探測 器。光源被構(gòu)造成發(fā)出具有圍繞中心軸線對稱的光強(qiáng)度分布的光通量，多個sro被設(shè)置在 距離光源的中心軸線的延長線相等的徑向距離處并根據(jù)是否探測到光子來生成〇或1的比 特值。
[0012] 光源的光強(qiáng)度分布可以是包括高斯分布的軸對稱分布。
[0013] 光源可以使用光學(xué)元件，該光學(xué)元件被構(gòu)造成對發(fā)光器件的光通量濾波以生成關(guān) 于所述中心軸線對稱的光通量。
[0014] 單光子探測器可以具有根據(jù)P=I-^Tnij+S表示的光探測概率，其中，P是單光子 探測器的光子探測概率，n是單光子探測器的探測效率，y是入射在單光子探測器上的光 通量的光強(qiáng)度，并且s是用于將單光子探測器的暗計數(shù)概率考慮在內(nèi)的系數(shù)。
[0015]n、y和s的值可以被設(shè)置成使得單光子探測器的光子探測概率p為〇. 5。
[0016] 多個單光子探測器可以設(shè)置在距離光源的中心軸線的延長線相等的徑向距離處。
[0017] 隨機(jī)數(shù)生成裝置還可以包括隨機(jī)數(shù)生成功能，該隨機(jī)數(shù)生成器被構(gòu)造成根據(jù)從多 個單光子探測器輸出的比特來生成隨機(jī)數(shù)。
[0018] 隨機(jī)數(shù)生成功能可以在各個時刻對從多個單光子探測器輸出的比特的組合按順 序排列，以生成隨機(jī)數(shù)。
[0019] 隨機(jī)數(shù)生成功能可以對從多個單光子探測器輸出的比特進(jìn)行奇偶生成計算，以生 成隨機(jī)數(shù)。
[0020] 隨機(jī)數(shù)生成功能可以根據(jù)時刻順序?qū)υ谕粫r刻從多個單光子探測器輸出的比 特的組合按順序排列來生成原始比特串，并且根據(jù)所生成的原始比特串進(jìn)行奇偶生成計算 來生成隨機(jī)數(shù)。
[0021] 隨機(jī)數(shù)生成功能可以向所生成的原始比特串應(yīng)用預(yù)定大小的掩碼來生成奇偶位 并進(jìn)行連續(xù)的奇偶位計算，以生成隨機(jī)數(shù)，各個奇偶位計算具有從生成當(dāng)前奇偶位的位置 的至少一個比特位移。
[0022] 隨機(jī)數(shù)生成功能可以對從多個單光子探測器輸出的各個比特串進(jìn)行奇偶生成計 算，以生成隨機(jī)數(shù)，然后對針對各個單光子探測器生成的奇偶位按順序排列。
[0023] 根據(jù)本公開的另一實(shí)施方式，一種利用光源和單光子探測器生成隨機(jī)數(shù)的方法包 括以下步驟：發(fā)出具有圍繞中心對稱的光強(qiáng)度分布的光通量；通過設(shè)置在距離光強(qiáng)度分布 的對稱軸相等徑向距離處的多個單光子探測器根據(jù)是否探測到光子來生成比特串；以及進(jìn) 行用于基于從所述多個單光子探測器輸出的所述比特串生成所述隨機(jī)數(shù)的后期處理。
[0024] 根據(jù)本公開的又一實(shí)施方式，隨機(jī)數(shù)生成裝置被構(gòu)造成利用通過在多個點(diǎn)處探測 來自從光源發(fā)出的光通量的單光子、將是否探測到該單光子轉(zhuǎn)換成〇或1的數(shù)字值然后對 該數(shù)字值進(jìn)行數(shù)學(xué)計算而獲得的結(jié)果來生成隨機(jī)數(shù)。
[0025] 根據(jù)本公開的又一實(shí)施方式，用于生成隨機(jī)數(shù)的方法包括：利用通過在多個點(diǎn)處 探測來自從光源發(fā)出的光通量的單光子、將是否探測到該單光子轉(zhuǎn)換成〇或1的數(shù)字值然 后對該數(shù)字值進(jìn)行數(shù)學(xué)計算而獲得的結(jié)果來生成隨機(jī)數(shù)。
[0026] 有益效果
[0027] 根據(jù)如上所述的本公開，可以通過N個單光子探測器針對各個時刻生成N個比特， 以便利用比根據(jù)單光子探測器生成真隨機(jī)數(shù)的其它方法高的速度來生成隨機(jī)數(shù)。
[0028] 各個單光子探測器的光探測概率可以通過調(diào)整單光子探測器的光子探測效率、入 射在單光子探測器上的光通量的發(fā)光強(qiáng)度等被設(shè)置成〇. 5,這使得可以在實(shí)踐中使用低成 本的發(fā)光二極管（LED)以及用于生成相干光脈沖的激光二極管乃至隨機(jī)光源。
[0029] 為了消除由于多個單光子探測器的性能差異等而在隨機(jī)數(shù)串中出現(xiàn)的偏移，可以 進(jìn)行奇偶操作，從而增強(qiáng)隨機(jī)性。
[0030] 另外，根據(jù)本公開的至少一個實(shí)施方式的隨機(jī)數(shù)生成裝置可以生成真隨機(jī)數(shù)，因 此適用于量子密碼學(xué)應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031] 圖1是根據(jù)入射在分束器上的光子的表現(xiàn)的傳統(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)生成器（QRNG)的 示例圖。
[0032] 圖2是根據(jù)本公開的至少一個實(shí)施方式的隨機(jī)數(shù)生成裝置的構(gòu)造的示意圖。
[0033] 圖3是從光源生成的光通量的光強(qiáng)度的分布的示例圖。
[0034] 圖4a和圖4b是用于通過順序地排列在各個時刻從各自單光子探測器輸出的比特 來生成隨機(jī)數(shù)串的方法的圖。
[0035] 圖5a、圖5b和圖5c是用于通過對通過順序地排列單位比特串而生成的原始比特 串進(jìn)行異或運(yùn)算（XORing)來生成隨機(jī)數(shù)串的方法的圖。
[0036] 圖6是用于通過對來自各自單光子探測器的單位比特串進(jìn)行異或運(yùn)算然后順序 地排列得到的串來生成隨機(jī)數(shù)串的方法的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面，將參照附圖詳細(xì)描述本公開的至少一個實(shí)施方式。在下面的描述中，相同的 參考標(biāo)記指定相同的元件，盡管這些元件被示出在不同的附圖中。另外，在至少一個實(shí)施方 式的下面的描述中，為了清晰和簡潔起見，將省略本文中包括的已知功能和結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說 明。
[0038] 此外，在描述本發(fā)明的部件時，使用如同第一、第二、A、B、（a)和（b)的術(shù)語。這